吳 林,張 鏝,史建華
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在超導(dǎo)成像系統(tǒng)序列掃描時(shí)需要對被試的檢查體位進(jìn)行定位,空間定位通過在主磁場疊加三軸方向上的梯度場實(shí)現(xiàn)[1]。施加在主磁場上的梯度場是通過梯度線圈電流產(chǎn)生的,而電流在三軸方向的梯度線圈里快速切換會產(chǎn)生的變化梯度場,使得周邊空間產(chǎn)生渦流效應(yīng)[2]。渦流效應(yīng)曲線以逼近多組時(shí)間參數(shù)擬合的 e 指數(shù)曲線衰減,使得梯度信號發(fā)生畸變,導(dǎo)致超導(dǎo)系統(tǒng)成像圖像扭曲[3],還會產(chǎn)生偽影,渦流效應(yīng)限制了超導(dǎo)系統(tǒng)序列掃描速度的提升。因此,對超導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的渦流進(jìn)行檢測和去渦流效應(yīng)補(bǔ)償是非常必要的。
商業(yè)超導(dǎo)成像系統(tǒng)對渦流補(bǔ)償常采用屏蔽線圈和梯度預(yù)加重兩種方式。屏蔽線圈方法能抑制渦流的產(chǎn)生,但是該方法需要對原有梯度線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)。常用的梯度預(yù)加重方法通過設(shè)置去渦流補(bǔ)償預(yù)值,運(yùn)行過程中迭代微調(diào)補(bǔ)償參數(shù)來逼近補(bǔ)償目標(biāo)值,但該方法補(bǔ)償時(shí)間較長。文獻(xiàn)[4]提出利用傳統(tǒng)繞制線圈進(jìn)行渦流信號的采集,可快速獲取渦流補(bǔ)償參數(shù),但傳統(tǒng)繞制線圈體積粗大且精度差,嚴(yán)重影響檢測到的渦流信號的準(zhǔn)確度,補(bǔ)償效果欠佳。在總結(jié)超導(dǎo)磁共振領(lǐng)域渦流檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,本文提出一種基于PCB設(shè)計(jì)的電感線圈來測量渦流和去渦流補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ摲椒ㄏ壤秒姼芯€圈測量出實(shí)際梯度信號,如圖1所示,將實(shí)測梯度信號減去目標(biāo)理想梯度信號得到渦流曲線,再將該渦流曲線補(bǔ)償?shù)侥繕?biāo)理想梯度信號上,預(yù)加重梯度信號再次施加到梯度線圈上,經(jīng)過渦流的平滑效應(yīng)后就接近目標(biāo)理想梯度信號。本文設(shè)計(jì)的渦流檢測和去渦流補(bǔ)償裝置除了電感線圈,還包括梯度信號發(fā)生器和梯度信號采集單元,梯度信號發(fā)生器由National Instruments公司NI-5741和NI PXIe-7972板卡構(gòu)成,梯度信號采集單元由NI PXIe-7972和NI-5783構(gòu)成。
圖1渦流效應(yīng)與去渦流補(bǔ)償
在超導(dǎo)系統(tǒng)三軸梯度方向(X、 Y、 Z)各放置一對對稱的電感線圈,每個(gè)方向?qū)ΨQ放置的線圈感應(yīng)到的信號通過差分電纜傳輸至梯度信號采集單元,該信號是變化梯度場的微分信號,對檢測到的微分信號進(jìn)行積分運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,即為實(shí)測梯度信號,最后將積分得到的信號減去設(shè)計(jì)的理想梯度信號,即為實(shí)測渦流強(qiáng)度。
檢測實(shí)際梯度場強(qiáng)度G(t)的裝置由電感線圈裝置、接收板卡、數(shù)字域積分器三部分構(gòu)成,電感線圈裝置由電感線圈和結(jié)構(gòu)工裝組成。3個(gè)方向?qū)ΨQ放置的一組線圈感應(yīng)到的信號為差分形式的信號,梯度磁場變化時(shí)檢測線圈能產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓Δuimax可用公式(1)表達(dá)。
(1)
其中,線圈匝數(shù)為n、面積為S,在梯度同一軸向?qū)ΨQ位置的一對線圈距離為Δr,在變化梯度場中對稱放置的一對線圈間的差分電壓為Δui(t),trise為梯度功放能達(dá)到的最短梯度爬升或下降時(shí)間,Gmax為梯度場強(qiáng)極值,因此可根據(jù)給定Δuimax、Gmax和trise,由式(1)推出電感線圈主要設(shè)計(jì)參數(shù)(n、S、Δr)。本超導(dǎo)系統(tǒng)配置的梯度放大器型號為C781,梯度線圈型號為MFC16。這套梯度裝置電流轉(zhuǎn)化率為70A/V,最大梯度切換率為35.1 mT/m。當(dāng)超導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),極限梯度切換時(shí)間trise最小為115 μs,將感應(yīng)電壓最大值Δuimax設(shè)置為10 V,由式(1)可推導(dǎo)得到式(2)。
-nSΔr≈33 000 cm3=55×2×20 cm2×15 cm.
(2)
其中,55表示每層線圈匝數(shù)n;2表示將一個(gè)4層層疊PCB正反表面用于繞制線圈;20 cm2為每匝線圈的平均面積S;15 cm是對稱電感線圈的距離Δr。表層線圈參數(shù)如圖2所示,dx為線寬,din為正方形線圈內(nèi)徑,rh為層間距,rx為線間距,D為線圈外徑,h為單層層厚。
圖2 設(shè)計(jì)的檢測線圈示意圖
在超導(dǎo)磁體腔內(nèi)物理中心位置就是磁場中心位置,該處梯度場強(qiáng)度為零,在放置渦流檢測裝置時(shí),應(yīng)使感應(yīng)線圈平面與主磁場方向垂直,使得主磁場磁力線方向垂直于感應(yīng)線圈平面,如圖3所示。梯度線圈在工作時(shí)會產(chǎn)生劇烈振動,三個(gè)梯度軸向的感應(yīng)線圈需要保持穩(wěn)定和平衡,由于掃描床和磁體腔是分離的,因此梯度線圈的振動就不會傳導(dǎo)至床板的測試工裝。
圖3 渦流檢測裝置結(jié)構(gòu)圖
時(shí)間取離散量t=n·Ts,其中n=0,1,2,3...,Ts為采樣間隔,根據(jù)梯度渦流L-R電路模型,渦流曲線可由式(3)表達(dá)。
(3)
圖4 X軸梯度預(yù)加重實(shí)測梯度與目標(biāo)理想波形
通過所有梯度方向渦流檢測和補(bǔ)償,得到包含X、Y、Z三軸自身項(xiàng)和交叉項(xiàng)渦流補(bǔ)償?shù)膮?shù)組合,如表1所示。
表1 三軸梯度自身項(xiàng)和交叉項(xiàng)的渦流時(shí)間參數(shù)和幅值參數(shù)
由表1可知,X、Y、Z自身項(xiàng)的梯度場皆受到渦流效應(yīng)影響,X方向梯度和Z方向梯度不受來自Y方向的交叉項(xiàng)梯度影響,只有Y方向梯度受到來自X方向梯度、Z方向梯度的交叉項(xiàng)渦流影響,說明梯度渦流檢測裝置放置時(shí),X向和Z向的平面線圈位置校準(zhǔn)較好,Y軸對稱放置的一對平面線圈位置還需要進(jìn)一步校準(zhǔn)和優(yōu)化。
綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,利用PCB制作平面電感線圈來檢測超導(dǎo)磁共振系統(tǒng)渦流的方案是可行的,得到的渦流補(bǔ)償參數(shù)能有效地減弱渦流影響。由于本文實(shí)驗(yàn)條件限制,實(shí)驗(yàn)的中間步驟需手動調(diào)整參數(shù),其次是檢測到的渦流信號受到超導(dǎo)系統(tǒng)空間其他場的干擾,在一定程度會影響渦流檢測的準(zhǔn)確度,因此后續(xù)研究工作還需要針對這兩方面問題展開研究和完善實(shí)驗(yàn)方案。